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静压桩在轻轨高架桥工程的应用
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静压桩在轻轨高架桥工程的应用

【摘要】本文针对静压在沉桩过程中的机理,结合轻轨车场项目实例,阐述了桩机的选型、有效桩长和终压力双控制施工方法,以及接桩技术及要求,并对影响压桩质量的几个关键性因素进行分析。

【关键词】静压桩机理选型有效桩长终压力

1前言

随着市场经济的发展及城市建设的需要,迫使建筑物尽量向空间发展,使得采用的设计单桩承载力要求越来越大。因此,在增加桩截面的同时,桩组的长度亦随之在增加。随着城市建设对环保的高标准要求,以及工期、投资效率等方面的要求,静压桩的设计、施工也逐渐成为城市高层建筑桩基础施工的主流。静压法施工是通过静力压桩机的压桩机构经压桩机自重和机架上的配重提供反力而将桩压入土中的沉桩工艺,此工艺施工质量可靠、无振动、无噪音、无冲击力、无空气污染,以及工期短、集中预制成本低等到优点,适用于绿色岩土工程的要求。特别是在一些湿陷黄土地区、湖相沉积地区及海相沉积地区,静压桩更是成为首选。本文结合武汉轻轨车场工程实例,针对静压在沉桩过程中的机理,阐述了桩机的选型、有效桩长和终压力双控制施工方法,以及接桩技术及要求,并对影响压桩质量的几个关键性因素进行分析。

2静压桩沉桩机理

沉桩施工时,桩尖“刺入”土体中时原状土的初应力状态受到破坏,造成桩尖下土体的压缩变形,土体对桩尖产生相应阻力,随着桩贯入压力的增大,当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时,土体发生急剧变形而达到极限破坏,土体产生塑性流动(粘性土)或挤密侧移和下拖(砂土),在地表处,粘性土体会向上隆起,砂性土则会被拖带下沉。在地面深处由于上覆土层的压力,土体主要向桩周水平方向挤开,使贴近桩周处土体结构完全破坏。由于较大的辐射向压力的作用也使邻近桩周处土体受到较大扰动影响,此时,桩身必然会受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗,当桩顶的静压力大于沉桩时的这些抵抗阻力,桩将继续“刺入”下沉。反之,则停止下沉。

压桩时,地基土体受到强烈扰动,桩周土体的实际抗剪强度与地基土体的静态抗剪强度有很大差异。随着桩的沉入,桩与桩周土体之间将出现相对剪切位移,由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用,土体对桩周表面产生摩阻力。当桩周土质较硬时,剪切面发生在桩与土的接触面上;当桩周土体较软时,剪切面一般发生在邻近于桩表面处的土体内,粘性土中随着桩的沉入,桩周土体的抗剪强度逐渐下降,直至降低到重塑强度。砂性土中,除松砂外,抗剪强度变化不大,各土层作用于桩上的桩侧摩阻力并不是一个常值,而是一个随着桩的继续下沉而显著减少的变值,桩下部摩阻力对沉桩阻力起显著作用,其值可占沉桩阻力的50~80%,它与桩周处土体强度成正比,与桩的入土深度成反比。

粘性土中,桩尖处土体在扰动重塑、超静孔降水压力作用下,土体的抗压强度明显下降。砂性土中,密砂受松弛效应影响土体抗压强度减少,松砂受挤密效应影响土体抗压强度增大,在成层土地基中,硬土中的桩端阻力还将受到分界处粘土层的影响,上覆盖层为软土时,在临界深度以内桩端阻力将随压入硬土内深度增加而增大。下卧为软土时,在临界厚度以内桩端阻力将随压入硬土的增加而减少。

一般将桩摩阻力从上到下分成三个区:上部柱穴区,中部滑移区,下部挤压区。施工中因接桩或其它因素影响而暂停压桩的间歇时间的长短虽对继续下沉的桩尖阻力无明显影响,但对桩侧摩阻力的增加影响较大,桩侧摩阻力的增大值与间歇时间长短成正比,并与地基土层特性有关,因此在静压法沉桩中,应合理设计接桩的结构和位置,避免将桩尖停留在硬土层中进行接桩施工。

3静压桩机的选型原则

静压桩机的选型原则主要是依据单桩设计荷载而确定。但在相同的单桩设计荷载下,不同的地质条件,对压桩机的选型有着一定的影响。

压桩机是靠设备的自重作反力,使桩段下沉至设计标高的。因此设备的自重是最重要的参数。但为了达到荷载重量并能正常工作,除了液压、电器等需优化组合外,机身、长履、短履等非常重要。机身没有足够的强度与刚度是无法满足巨大压力的传递。长、短履若没有足够的触地面积,不仅在施工时容易沉陷,无法施工,更容易损坏机体。既使强行施工,由于机身不易调平,而无法控制桩段入土质量。一般情况下,长履的触地压强为100kpa,短履为11kpa。就武汉轻轨车场及综合维修基地G-1标段所使用的YZY-600型静力压桩机而言,额定重量为600吨,长履的触地面积为30m2×2=60m2,短履触地面积为27.3m2×2=54.6m2。

桩机对桩段的压入力,即为整机重量减去两条长履的重量。因为桩机施工时两条长履起到支承、调整机向及保护整机安全的作用。另在单桩荷载相同的情况下,不同的土质,有着不同的压入力要求。对于湿陷性黄土地区,桩段入土时桩尖阻力小,但由于土体后期回固好,故单桩承载力相应较大。对于细中砂层埋藏较浅,砂层较厚的湖相沉积及海相沉积区,由于桩尖阻力大,入土难度相应增大,且淤泥质土摩擦力小,故单桩承载力相应较小。

依上述两点,根据施工经验及检测结果,利用系数调整法,选用适合于桩基设计要求的机型。桩型吨位计算式如下:

选用桩型吨位=设计荷载×安全系数×土质调整系数×富余系数+长履

对于武汉地区,土质调整系数一般为1,压入力富余系数取10%~20%,安全系数取2。就本工程而言,车场桩基设计单桩荷载为2400KN,则选用桩型吨位为:

240×2×1×1.15+48=600(吨)

故本车场静力压桩机型号选为:YZY-600型。

在现场实际施工过程中,YZY-600型静力压桩机完全能满足设计要求荷载,且桩机不存在沉陷等现象发生。

4双控法在压桩过程中的使用

双控法即为设计标高(有效桩长)与油压值(终压力)双重控制方法。在正式进行压桩之前,必须先根据规范要求进行试压桩,达到一定的回固期要求后,对该试验桩进行承载力检测,以确定静力压桩机在施工过程中的油压值读数(终压力)与实际单桩极限承载力之间的系数关系。因在静压桩施工完后,土体中孔隙水压力开始消散,桩四周土体开始回固,桩身与桩周土体摩擦力继续增加,直至土体稳固,这时桩身的承载力应称作为极限承载力。此值往往比终止压桩时的油压值读数(终压力)要高出很多。因此油压值读数(终压力)与极限承载力是两个不同的概念。两者在数值上不一定相等,但又有一定的内在联系,都与桩长、桩周土及桩端土的性质有关。这就要求在工程施工之前一定要进行试压桩工作,检测其承载力后,找出两者之间的系数关系。

武汉轻轨车场A-1标段12区试桩检测结果显示,该区静力压桩机油压表读数当达到8.0Mpa(该压桩机校订报告中相对应的数值为2130KN)时,即可满足设计荷载2400KN的要求。而在11区试桩检测结果显示,该区静力压桩机油压表读数当达到8.5Mpa(该区压桩机校订报告中相对应的吨位数为2320KN)时,方能满足设计荷载2400KN的要求。业主、设计院及监理公司根据试桩检测报告,针对各区段确定了不同的上、下限油压值以进行施工过程控制。但由于##区的静压桩不是同一个桩机施工,两桩机的油压表校正系数并不一样,且两个区段的地质情况相当复杂并不一样,导致##区在满足相同的设计荷载条件下其桩机的油压下限值结果不一样。当在压桩过程中出现未达到下限油压值时,为满足设计规定,根据业主、监理及设计院三方联合确定,此类情况须在设计标高的基础上超送1m,进行贯入度控制,若超送1m后其油压值还未达到下限值时,应报请设计院进行设计修改处理,一般增加承台下的桩数或桩长以满足整个承台的设计承载力要求。Ⅰ区静压桩施工时,由于地质重要条件差,可能夹有软土层,单桩油压值读数大部分不能满足下限值要求,最后建议设计重新根据施工记录所显示的油压值数进行承载力核算,并采用了增架桩数来满足设计承载力的要求。当压桩过程中实际油压表读数达到或超过了上限油压值要求时,可停止压入,此种情况则根据上限油压值数值控制其单桩承载力。但此类桩停止压入的前提是桩的有效桩长必须达到设计数值的2/3以上,否则有可能会出现单桩极限承载力数值过高的假象,如遇孤石、建筑垃圾等。

本工程所在区域主要属于湖相沉积区,地质情况相对较复杂,且同一承台各桩位下地质炯异,这就直接导致着各桩桩尖标高相差很大。在施工过程中,应该尽量满足设计有效桩长和平共处贯入度要求。只有保证了桩段的有效压入深度,方能提高桩周身的摩擦力,以提高静压桩的单桩极限荷载。

5接桩技术及要求

静压桩的另一大优点是预制工厂化。但受到制作及运输条件的限制,只能分段制作,用钢制桩帽连接。上、下两桩连接得好与坏直接影响到桩身质量。这就要求预制桩在预制时,桩端平面必须与桩中心线垂直成90°,防止上桩端面与下桩端面接触处成线状或点状。在这种情况下,上桩与下桩之间极易在强大的压入力作用下晚将焊缝剪开,形成断桩,在土体回固挤密作用下将上桩抬起而最终形成浮桩。

根据传统工艺及图集要求,上、下两节桩之间用楔形铁片填实并焊牢。焊缝应连续饱满。即对水平四条连接缝进行施焊并对楔形体垫实后焊牢。水平缝焊完后再用四个角铁将桩帽加固,对其施以竖向贴角堆焊,并将角铁两端封闭,使上、下两桩形成一个可靠的连接体。但由于传统连接工艺的连接质量受到预制、现场焊接工人操作水平及焊接耗时的影响,质量往往达不到规范要求。在轻轨车场工地,我们采用了一种新的连接方法:套入式焊接。即将下桩钢帽比上桩钢帽制作时稍大一些,形成一大一小的契形两件箱型结构体,然后施焊封闭。为了避免因钢帽在预制桩预埋过程中出现的倾斜或不水平在上下桩连接体内形成线状接触和点状接触,我们在下桩钢帽契形体内填充已加温的冷硬性高强度的填充材料硫磺胶泥。然后将上桩套入下桩契形体内。校正后下压,使硫磺胶泥充分发挥填充作用,最后施以横向角焊。

6影响压桩质量的几个关键性因素

除上述接桩的好坏直接反映了压桩的质量外,桩段在静压过程中是否铅垂也是影响质量的一个重要因素。桩身倾斜后,桩段与土体之间的接触面只有三个,而另一侧面土体根本没有摩擦阻力存在,无形之中,桩段的极限承载力减小了。另一方面,与之相对应的一侧土体因受承台所传递的荷载作用而增大了土体的竖向的作用力,当地质属于不良状态时,该土体则被桩身传递的压力而下沉,最终导致整根桩段下沉。在实际静压施工过程中,从桩段起压至压入完毕,应有专人进行桩段的垂直度检测工作。

压桩速度的快慢,同样是影响压桩质量的关键性因素。当压桩速度过快时,油压表读数会比正常速度下的油压值大,不能真实地反映施工荷载值,而且会因为抽检频率不高时漏检,形成质量隐患。如何正确地区分与判断此类桩的实际施工荷载,首先应收集第一手原始资料,并且摸清此类桩的静压速度,然后从中抽出具有代表性的桩进行大应变检测或静载试验,确定极限承载力与油压值相对应的关系。

7结束语

静压桩的沉桩机理非常复杂,与土质、土层排列、硬土层厚度、桩数、桩距、施工顺序、进度等有关,有待进一步研究。静压桩施工中出现的问题也各种各样,最常用的处理方法是提高终压力进行复压和增加桩数(补桩)、增长有效桩长(接桩)。但往往桩在做完静载试验发现不合格后,还要增加静载试验或大应变检测,以确定更大范围不合格桩数量分布。有时基坑已开挖,桩头已凿去位置难确定,压桩机撤出现场,复压或补桩有一定困难,这就要采取其它一些措施处理不合格桩,如灌浆补强、降低桩承载力标准或扩大承台等。相信随着工程实践经验的不断丰富,能为静压桩施工提供更多的依据和参考。



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